模块四 多轴加工实训简介● 学习目的当前我国数控产业结构不断优化，技术含量增加明显，每年高精、高速、五轴联动等高档数控机床的生产都超过千台采用多轴机床加工高难度零件生产效率得到明显提高本模块主要介绍了各类多轴机床的结构、特点及其应用范围，通过基于FANUC的圆柱面零件阵列孔加工实训项目，培养读者四轴加工工艺与编程能力课题一 多轴加工机床基础知识实训图4.1 多轴机床的各坐标轴三轴数控机床是配置了X、Y、Z三个直线轴数控机床，多轴机床，除了三个直线轴之外，还配置不同数量的回转轴，即分别围绕X、Y、Z做回转运动的A、B、C轴，如图4.1所示对于四轴机床具有4个坐标轴，分别为3个直线坐标轴和1个旋转坐标轴；对于五轴立式加工来说，必须要有C轴，即旋转工作台，然后再加上另外一个旋转坐标轴，要么是A轴要么是B轴知识目标】掌握四轴、五轴联动数控机床结构、特点和应用范围；了解数控铣床（加工中心）发展趋势技能目标】学生通过观看和分析实际的四轴、五轴联动数控机床，能够熟悉多轴机床结构、特点和应用范围实训任务】 组织学生去实训场地，现场观看实际的四轴、五轴联动数控机床在观看的过程中，需要学生讲述机床结构、特点和应用范围。
知识准备】图 4.2 数控转台安装在工作台上的情况一、三轴立式加工中心附加数控转台的四轴联动机床1、 四轴机床结构在三轴立式数控铣床或加工中心上，附加具有一个旋转轴的数控转台来实现四轴联动加工，即所谓3+1形式的四轴联动机床，如图4.2所示由于立式铣床或加工中心作为主要加工形式，所以数控转台只能算作是机床的一个附件这类机床有以下优点：1) 价格相对便宜 由于数控转台只是一个附件，所以用户可以根据需要选配2) 装夹方式灵活用户可以根据工件的形状选择不同的附件，既可以选择三爪自定心卡盘装夹，也可以选配四爪单动卡盘或花盘装夹3) 拆卸方便用户在利用三轴加工大工件时，可以把数控转台拆卸下来当需要时可以方便地把数控转台安装在工作台上进行四轴联动加工在使用过程中，还需注意：这类机床的数控系统一定具有第四轴的驱动单元，同时具备控制四轴联动的功能如果只有3个伺服系统，是不能做到四轴联动的；数控转台的尺寸规格会影响原有机床的加工范围用户要根据被加工的工件尺寸合理选择数控转台的尺寸规格；数控转台及伺服系统参数设定要满足四轴联动要求2、 三轴与四轴加工特点比较1） 三轴加工的缺点：（1） 刀具长度过长，刀具成本过高；（2） 刀具振动引发表面粗糙度问题；（3） 工序增加，多次装夹；（4） 刀具易破损；（5） 刀具数量增加；（6） 易过切引起不合格工件；（7） 重复对刀产生累积公差 。
2） 与三轴加工相比，四轴加工优点：（1） 与三轴相比，四轴机床多了一个旋转轴；（2） 刀具工作条件得到很大改善，延长刀具寿命；（3） 加工工序减少，缩短装夹时间；（4） 提高自由空间曲面的精度、质量和效率；（5） 生产集中化；（6） 有效提高加工效率和生产效率3、 应用范围四轴加工应用领域有： 航空、造船、医学、汽车工业、模具四轴加工典型零件有：凸轮、涡轮、蜗杆、汽车配件、其他精密零件加工二、四轴立式加工中心附加数控转台的五轴联动机床1、 机床结构这类立式数控铣床或加工中心的标准设计就是立铣头可以围绕Y轴旋转，即机床具有B轴使用时附加具有一个旋转轴的数控转台，来实现五轴联动加工这就是所谓4+1形式的五轴联动机床XKR400是北京机电院生产的五轴联动加工中心（如图4.3所示），该机床具有可以摆动的B轴和可以360度任意分度的C轴图4.3 具有B轴和C轴的五轴联动机床（XKR400）2、 XKR400机床特点1） 具有大功率高速电主轴机床采用德国西门子高精度电主轴，功率达12KW，最高转速可达12000r/min2） 具有大扭矩、高精度回转轴机床的B、C回转轴均采用精密角度编码器闭环控制，确保高回转精度。
B轴采用德国西门子力矩电机直接驱动，响应快，无间隙传动B轴输出额定扭矩为600N·m，最大扭矩为1200 N·m3） 树脂砂铸造的优质铸铁基础件、高刚度高精度的直线滚柱导轨以及高刚性的精密传动元件使机床刚性大大提高4） 机床自动换刀装置采用无机械手换刀，可进行任意选刀可进行连续加工5） 机床具有大流量冷却功能，并带有过滤的自动排屑器，在加工过程中可以便捷地将切屑排出6） 机床数控系统机床配置德国SIEMENS840D数控系统，SIMODRIVE 611D驱动模块，可以实现五轴联动加工，如复杂的叶轮加工，空间曲面加工CNC用户程序和数据内存容量为256KB，最大可扩充到1.5MB，通信方式有RS-232和以太网，可实现高速传输系统具有错误诊断，报警显示，状态查询，平面和空间刀具补偿，图像仿真等功能基于PC平台开发的软件，人机界面比较友好3、 应用范围XKR400五轴联动加工中心是为满足叶轮加工需要而设计开发的五轴数控机床，机床配置X、Y、Z三个直线轴和B、C两个回转轴机床主要用于中、小型叶轮的加工，三维复杂曲面的加工，以及凸轮、模具、箱体、阀体和盘类零件的加工，适用于机械、航空、汽车、模具等行业。
三、五轴联动数控铣床立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工目前高档的立式加工中心正朝着五轴控制的方向发展，工件一次装夹就可完成五面体的加工如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工1、 五轴联动数控铣床类型和结构立式五轴联动数控铣床根据旋转轴的布置形式，可分为双摆台形式、双摆头形式和一摆台一摆头形式1） 双摆台形式（图4.4）双摆台式五轴联动结构（如图4.4）的数控铣床两个旋转轴均设置在工作台上设置在图4.5 美国哈斯VF-2TR双摆台式五轴联动铣床图4.4 双摆台式五轴联动结构床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等A轴和C轴与X、Y、Z三直线轴实现联动，可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。
这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴方向不动，刚性非常好，制造成本比较低工件加工时随工作台旋转，一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩美国哈斯五轴联动铣床VF-2TR（如图4.5）以哈斯VF-2(具有762×406×508毫米行程、40锥度主轴和20马力矢量驱动)为基础，它的特征是安装在标准T形槽工作台上的双轴有耳转台，提供5轴同时运动，可把工件定位在几乎任何角度进行加工有耳转台提供A轴±120度倾斜和B轴全360度持续旋转工件最重80磅(工件和夹具)，工件回转直径为444.5毫米160毫米的转盘的特征是具有6个精确的T形槽，每个间隔60度，以便于夹持当只需要3轴加工时，可以很容易地将TR-160从VF-2TR上取下；机床的标准T形槽工作台为夹具和虎钳提供大量空间 VF-2TR标配有24刀套侧挂式刀库，自动螺旋排屑器，可编程冷却液喷嘴，可视快速代码编程系统，软盘驱动器，16MB程序内存，远程轻推手柄若配置可选件（高速主轴，线性刻度，高速进给和探测系统），则能够提高生产效率2） 双摆头形式（如图4.6）此类五轴联动数控铣床两个旋转轴均设置在主轴头上。
主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，A轴和C轴与X、Y、Z三直线轴配合也可实现五轴联动，加工复杂的空间曲面图4.6 双摆头式五轴结构图4.7 UBZ-NT双摆头式五轴联动龙门加工中心图4.8 一摆头一摆台形式五轴结构双摆头式五轴联动加工中心（如图4.7）优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大这种设计还有一大优点：在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量这种结构非常适合于高精度曲面的模具加工，这是工作台回转式加工中心难以做到的为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高 立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高转速，一般高速可达1,2000r/min以上，实用的最高转速已达到4,0000转。
主轴系统都配有循环冷却装置，循环冷却油带走高速回转产生的热量，通过制冷器使冷却油降到合适的温度，再流回主轴系统X、Y、Z三直线轴也可采用直线光栅尺反馈，双向定位精度在微米级以内由于快速进给达到40～60m/min以上，X、Y、Z轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却，同主轴系统一样，由经过制冷的循环油流过滚珠丝杠的中心，带走热量3） 一摆台一摆头形式（如图4.8）两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件；主轴摆动，改变刀轴方向灵活这种结构形式的五轴联动机床型号有：德玛吉DMG75v Linear、DMU60P和米克朗HPM1000U等图4.9 DMG75v Linear五轴联动机床德玛吉DMG75v Linear（见图4.9）是采用一摆台一摆头的五轴联动机床，装备有直接驱动的数控工作台和摆动主轴，因为使用双边轴承，差状齿冠可以达到最大的刚性并且可以使用液压装卡，摆动头的摆动范围是从10°～110°，摆动头和数控工作台的联动产生了新的加工方式2、 五轴联动加工特点(1) 五轴联动机床的使用，让工件的装夹变得容易，工件一次装夹就可完成五面体的加工加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高模具加工精度。
2) 由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，降低了刀具成本五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命，降低成本3) 避免球头铣刀线速度为零加工情况的发生现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用三轴立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足基于以上特点，在模具、航空、船舶等行业，采用五轴联动机床，可以很快的完成工作任务，交货快，更好的保证产品的加工质量，使加工变得更加容易3、 五轴联动应用范围五轴联动数控铣床旋转轴的布置形式不同，应用范围也不同双摆台式五轴联动机床一般应用于中小型精密、复杂零件的加工，其性能适合于加工叶轮类零件和精密壳类以及精密模具零件的五轴加工；一般重型机床都采用双摆头五轴联动形式，这类机床多用于加工大型、精密、复杂零件，可加工复杂曲面的模具、船舶螺旋桨、客机机身、巨大。